Հողը և հիդրոլոգիական ցիկլը
Հողը ջրի շրջապտույտի հիմնական բաղկացուցիչ մասն է: Ջուրը մթնոլորտից հողին է անցնում տեղումների տեսքով: Դրանց մի մասը չի կլանվում և հոսելով` ի վերջո լցվում է գետերի մեջ, իսկ մյուս մասը ներծծվում է հողի կողմից: Հողի մեջ ներծծված ջուրը կարող է շարժվել դեպի ներքև` միանալով ստորերկրյա ջրերին, կամ կլանվել բույսերի կողմից: Ջուրը մթնոլորտ է վերադառնում գոլորշիանալով կա՛մ ուղղակիորեն հողի մակերեսից, կա՛մ բույսերի կողմից:
Ջրի թափանցումը հողի միջով մինչև ջրատար հորիզոն ոչ միայն լրացնում է ստորգետնյա ջրերի պաշարը, այն նաև լուծված վիճակում տեղափոխում է հողում կամ դրա մակերևույթի վրա գտնվող մի շարք անօրգանական և օրգանական քիմիական նյութեր: Այս եղանակով ստորգետնյա ջրերում (ինչպես նաև վտակներում, գետերում և լճերում) կարող են հայտնվել ապարների տարրալուծման արգասիքներ, բույսերի մնացորդների քայքայման հետևանքով առաջացած բնական օրգանական միացություններ, բնական և մարդկային ծագման բուսական սննդանյութեր, ինչպես նաև տարբեր սինթետիկ քիմիական նյութեր, որոնք դիտավորյալ կամ պատահականությամբ ավելացվում են հողին:
Քիմիական նյութերը քայքայվում են հողի այն շերտում, որտեղ առավելագույնն է բույսերի արմատների և մանրէների գործունեությունը: Այդ շերտը անցնելուց հետո, նախքան ստորերկրյա ջրերի մեջ հայտնվելը, քիմիական նյութերի քայքայման կամ յուրացման հավանականությունը շատ փոքր է: Սա նշանակում է, որ քիմիական նյութերը, որոնք նորմալ պայմաններում միկրոօրգանիզմների կողմից յուրացվում են մի քանի շաբաթվա ընթացքում, կարող են անցնել ստորգետնյա ջրեր` նախքան դրանց քայքայման հնարավորությունը: Սա հատկապես խնդրահարույց է խոշոր մասնիկներից կամված ավազային հողերի համար, որոնցով աղտոտիչների տեղաշարժը շատ արագ է կատարվում: Որոշ տարածքներում խմելու ջրի ստորգետնյա աղբյուրների աղտոտումը ավելցուկային նիտրատներով կարող է հասնել մարդկային սպառման համար վտանգավոր մակարդակների:
Հողում և ստորգետնյա ջրերում քիմիական նյութերի տեղաշարժի ուսումնասիրությունները ուշադրություն են հրավիրել մեկ այլ կարևորագույն խնդրի վրա: Լճակներում, լճերում, ջրամբարներում և ստորերկրյա ջրերում քիմիական սննդանյութերի կուտակումը կարող է խթանել մի գործընթաց, որը կոչվում է ճահճացում: Այն նվազեցնում է ջրում թթվածնի պարունակությունը՝ աղետալի ազդեցություն ունենալով ձկների և ջրային այլ տեսակների վրա:
Այս խնդրի հնարավոր լուծում կարող է հանդիսանալ ազոտ կապող օրգանիզմների կիրառումը քիմիական պարարտանյութերի փոխարեն:
Ազոտի կապումը
Ազոտի կապումը կենսաքիմիական ռեակցիա է, որը նույնքան կարևոր է Երկրի վրա կյանքի համար, որքան բույսերի ֆոտոսինթեզը: Այս գործընթացը մթնոլորտի իներտ մոլեկուլային ազոտը (N2) վերածում է ռեակտիվ ազոտի, որը կարող է օգտագործվել բոլոր օրգանիզմների կողմից: Գործընթացն իրականացվում է սահմանափակ քանակությամբ մանրէների միջոցով, որոնցից են Rhizobium-ը, ակտինոմիցետների և ցիանոբակտերիաների (կապտականաչ ջրիմուռներ) մի քանի տեսակներ:
Երկրագնդի վրա տարեկան կենսաբանորեն կապվող ազոտի քանակը հսկայական է: Միայն հողային համակարգերի կողմից կապվում է մոտավորապես 139 միլիոն տոննա ազոտ: Մեր օրերում պարարտանյութերի արտադրության ժամանակ կապվող քանակը գրեթե նույնքան մեծ է:
Գործընթացի մեխանիզմը.
Անկախ նրանից, թե ինչ օրգանիզմում է կատարվում, ազոտի կապման գործընթացի հիմքում նիտրոգենազ ֆերմենտն է, որը իրականացնում է մոլեկուլային ազոտի վերականգնում ամոնիակի.
N2 + 8H+ + 6e– նիտրոգենազ (Fe, Mo) 2NH3 + H2
Ամոնիակը, իր հերթին, օրգանական թթուների հետ կապվելով, ի վերջո մտնում է սպիտակուցների կազմի մեջ.
NH3 + օրգանական թթու ամինաթթու սպիտակուց
Նիտրոգենազի ազոտ վերականգնող հատվածը երկու սպիտակուցներից կազմված համալիր է, որոնցից փոքրը պարունակում է երկաթ, իսկ մեծը` երկաթ և մոլիբդեն: Այս ֆերմենտի և դրա գործառույթի մասին կարելի է նշել մի շարք կարևոր փաստեր` հաշվի առնելով դրա եզակի դերը ազոտի շրջապտույտում և մեծ նշանակությունը մարդկության համար:
- N2 գազի եռակի կապի քայքայումը մեծ քանակությամբ էներգիա է պահանջում: Այդ պատճառով, գործընթացը հաճախ իրականացվում է բարձրակարգ բույսերի հետ համակեցությունների առաջացմամբ, որոնք ստանում են էներգիա ֆոտոսինթեզի միջոցով:
- Նիտրոգենազը քայքայվում է ազատ O2-ից: Ուստի ազոտ կապող օրգանիզմները պետք է պաշտպանեն ֆերմենտը թթվածնի ազդեցությունից: Որոշ դեպքերում, օրինակ արմատային պալարիկներում, դա իրականացվում է հատուկ նյութի արտադրության միջոցով, որը ոչ միայն կապվում է թթվածնին` պաշտպանելով նիտրոգենազը, այլ նաև թթվածինը հասանելի է դարձնում բույսի արմատների այլ հյուսվածքներում շնչառության համար:
- Վերականգնման ռեակցիան արգելակվում է վերջնանյութի կողմից, դա նշանակում է, որ ամոնիակի կուտակումը կդանդաղեցնի ազոտի կապումը: Բացի այդ, նիտրատների մեծ քանակը խոչընդոտում է պալարիկների առաջացմանը:
- Ազոտ կապող օրգանիզմները մոլիբդենի, երկաթի, ֆոսֆորի և ծծմբի համեմատաբար մեծ պահանջ ունեն, քանի որ այս տարրերը մտնում են նիտրոգենազի կազմի մեջ և անհրաժեշտ են դրա գործունեության համար:
Ընդհանրապես, ազոտի կապում են իրականացնում մի շարք մանրէային համակարգեր, որոնք լինել կամ չլինել բարձրակարգ բույսերի հետ ուղղակի կամ անուղղակի համակցության մեջ: Չնայած լոբազգիների և բակտերիաների համակեցությունը ամենաշատն է քննարկվում, վերջին տարիներին հայտնաբերվել են համակարգեր, որոնք ներառում են շատ այլ բույսեր և հողին ազոտի մատակարարման հարցում կարող են մրցակից լինել լոբազգիների հետ համակեցություններին:
Ազոտ կապող օրգանիզմների ներկայությունը հողում էականորեն ավելացնում է դրանում ազոտի պարունակությունը և կարող է շահավետ լինել նման գործընթաց չիրականացնող տեսակների, մասնավորապես բարձրակարգ բույսերի համար: Ազոտ կապող օրգանիզմները կարող են որպես պարարտանյութ կիրառվել գյուղատնտեսության մեջ` ապահովելով բույսերի առավելագույն արտադրություն, շրջակա միջավայրի նվազագույն աղտոտման պայմաններում: